【導(dǎo)讀】通信開關(guān)電源是通信系統(tǒng)中的一種主要的干擾源之一，由于它本身工作特點(diǎn)使得電磁干擾問題相當(dāng)突出，從通信電源電磁干擾的機(jī)理著手，分析了通信電源的開關(guān)電路及二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的電磁干擾。分別論述了有源濾波技術(shù)、屏蔽和接地技術(shù)、PCB設(shè)計(jì)技術(shù)、擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)等來抑制電磁干擾，改善了開關(guān)電源電磁兼容的性能。為工程設(shè)計(jì)人員提供了理論參考。
0 引言
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和功率器件的發(fā)展，開關(guān)電源以其體積小、重量輕、高性能、高可靠性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于通信系統(tǒng)、自動(dòng)控制、家用電器等領(lǐng)域，特別是廣泛應(yīng)用于程控交換、光數(shù)據(jù)傳輸無線基站、有線電視系統(tǒng)及IP網(wǎng)絡(luò)中，是信息技術(shù)設(shè)備正常工作的核心動(dòng)力。但是，通信開關(guān)電源一般都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，其開關(guān)器件工作在高頻通斷狀態(tài)，由于高頻的快速瞬變過程本身就是電磁干擾源，它產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)信號(hào)有很寬的頻率范圍，又有一定的幅度，經(jīng)傳導(dǎo)和輻射會(huì)污染電磁環(huán)境，對(duì)通信設(shè)備和電子產(chǎn)品造成干擾。另外，通信開關(guān)電源要有很強(qiáng)的抗電磁干擾的能力，特別是對(duì)雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁波、靜電放電、脈沖串、電壓跌落、射頻電磁場(chǎng)傳導(dǎo)抗擾性、輻射抗擾性、傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射等項(xiàng)目需要滿足有關(guān)EMC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)80～90年代，為了加強(qiáng)對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)電磁污染的治理，制定了一些與CISPR標(biāo)準(zhǔn)、IEC801等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn).自從2003年8月1日中國(guó)強(qiáng)制實(shí)施3C認(rèn)證(ChinaCompulsoryCertification)-K作以來，掀起了”電磁兼容熱”，近距離的電磁干擾研究與控制愈來愈引起電子研究人員們的關(guān)注，當(dāng)前已成為研究領(lǐng)域的一個(gè)新熱點(diǎn)。本文將針對(duì)通信開關(guān)電源電干擾的產(chǎn)生機(jī)理系統(tǒng)地論述相關(guān)的抑制技術(shù)。
1 通信開關(guān)電源的特性及電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)理
1.1 開關(guān)電源基本特性
開關(guān)電源的基本特性有四點(diǎn)：
①位置較為清楚。主要集中在功率開關(guān)器件、二極管以及與之相連的散熱器和高頻變壓器上；
②能量轉(zhuǎn)換裝置工作于開關(guān)狀態(tài)。因開關(guān)電源是工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置，故其電壓、電流變化率很高，產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度較大；
③電源印刷線路板(PCB)走線通常采用手工布置。這種布置使其具有很大的隨意性，增加了PCB分布參數(shù)的提取和近場(chǎng)干擾預(yù)測(cè)評(píng)估的難度；
④開關(guān)頻率大，可從幾萬Hz到數(shù)兆Hz，主要的干擾形式是傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾。
1.2 電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理
1.2.1 開關(guān)電路產(chǎn)生的電磁干擾
開關(guān)電路是開關(guān)電源的核心，主要由開關(guān)管和高頻變壓器組成，它產(chǎn)生的dv/dt是具有較大幅度的脈沖，頻帶較寬且諧波豐富.這種脈沖干擾產(chǎn)生的主要原因有兩個(gè)方面：一方面開關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈，是感性負(fù)載。在開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓；在開關(guān)管斷開瞬問，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在關(guān)斷電壓上，形成關(guān)斷電壓尖峰.這種電源電壓中斷會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變，這個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸人輸出端，形成傳導(dǎo)干擾。另一個(gè)方面脈沖變壓器初級(jí)線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。
1.2.2 二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾高頻整流回路中的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流過，在其受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于PN結(jié)中有較多的載流子積累，因而在載流子消失之前的一段時(shí)間里，電流會(huì)反向流動(dòng)，致使載流子消失的反向恢復(fù)電流急劇減少而發(fā)生很大的電流變化(di/dt)。
2 電磁干擾抑制措施
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備。因而，抑制電磁干擾應(yīng)從這三方面人手。
抑制干擾源、消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射、提高受擾設(shè)備的抗擾能力，從而改善開關(guān)電源的電磁兼容性能的目的。
2.1 采用濾波器抑制電磁干擾
濾波是抑制電磁干擾的重要方法，它能有效地抑制電網(wǎng)中的電磁干擾進(jìn)入設(shè)備，還可以抑制設(shè)備內(nèi)的電磁干擾進(jìn)入電網(wǎng)。在開關(guān)電源輸入和輸出電路中安裝開關(guān)電源濾波器，不但可以解決傳導(dǎo)干擾問題，同時(shí)也是解決輻射干擾的重要武器.濾波抑制技術(shù)分為無源濾波和有源濾波兩種方式。
2.1.1 無源濾波技術(shù)
無源濾波電路簡(jiǎn)單，成本低廉，工作性能可靠，是抑制電磁干擾的有效方式。無源濾波器由電感、電容、電阻元件組成，其直接作用是解決傳導(dǎo)發(fā)射。開關(guān)電
源中應(yīng)用的無源濾波器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
由于原電源電路中濾波電容容量大，整流電路中會(huì)產(chǎn)生脈沖尖峰電流，這個(gè)電流由非常多的高次諧波電流組成，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾；另外電路中開關(guān)管的導(dǎo)通或截止、變壓器的初級(jí)線圈都會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電流.由于電流變化率很高，對(duì)周圍電路會(huì)產(chǎn)生出不同頻率的感應(yīng)電流，其中包括差模和共模干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)可以通過兩根電源線傳導(dǎo)到電網(wǎng)其他線路和干擾其他的電子設(shè)備。圖中差模濾波部分可以減少開關(guān)電源內(nèi)部的差模干擾信號(hào)，又能大大衰減設(shè)備本身工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)傳向電網(wǎng)。又根據(jù)電磁感應(yīng)定律，得E—Ldi/dt，E為L(zhǎng)兩端的電壓降，L為電感量，di/dt為電流變化率。顯然要求電流變化率越小，則要求電感量就越大。
脈沖電流回路通過電磁感應(yīng)其他電路與大地或機(jī)殼組成的回路產(chǎn)生的干擾信號(hào)為共模信號(hào)；開關(guān)電源電路中開關(guān)管的集電極與其他電路之間產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng)，電路會(huì)產(chǎn)生位移電流，而這個(gè)位移電流也屬于共模干擾信號(hào)。圖中共模濾波器就是用來抑制共模干擾，使之受到衰減。
2.1.2 有源濾波技術(shù)
有源濾波技術(shù)是抑制共模干擾的一種有效方法.這是一種從噪聲源出發(fā)而采取的措施(如圖2)。其基本思想是設(shè)法從主回路中取出一個(gè)與電磁干擾信號(hào)大小相等、相位相反的補(bǔ)償信號(hào)去平衡原來的干擾信號(hào)，以達(dá)到降低干擾水平的目的。如圖，利用晶體管的電流放大作用，通過把發(fā)射極的電流折合到基極，在基極回路來濾波.R1、C2組成的濾波器使基極紋波很小，這樣射極的紋波也很小。由于c2的容量小于C3，減小了電容的體積。這種方式僅適合低壓小功率電源的情況。
要用于防止靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的影響；另一種是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及交變電磁場(chǎng)的影響。屏蔽技術(shù)分為對(duì)發(fā)出電磁波部位的屏蔽和受電磁波影響的元器件的屏蔽。在開關(guān)電源中，可發(fā)出電磁波的元器件是指變壓器、電感器、功率器件等，通常在其周圍采用銅板或鐵板作為屏蔽，以使其電磁波產(chǎn)生衰減。
此外，為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的輻射向外部發(fā)散，為了減少電磁干擾對(duì)其他電子設(shè)備的影響，應(yīng)采取整體屏蔽。可完全按照對(duì)磁場(chǎng)屏蔽的方法來加工屏蔽罩，然后將整個(gè)屏蔽罩與系統(tǒng)的機(jī)殼和地連接為一體，就能對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽.然而在使用整體屏蔽時(shí)應(yīng)充分考慮屏蔽材料的接縫、電線的輸入、輸出端子和電線的引出口等處的電磁泄露，且不易散熱，結(jié)構(gòu)成本大幅度增加等因素。
為使電磁屏蔽能同時(shí)發(fā)揮靜電屏蔽的作用，加強(qiáng)屏蔽效果，同時(shí)保障人身和設(shè)備的安全，應(yīng)將系統(tǒng)與大地相連，即為接地技術(shù)。接地是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)接地面之間建立導(dǎo)電的通路設(shè)計(jì)。這一過程是至關(guān)重要的，將接地和屏蔽正確結(jié)合起來可以更好地解決電磁干擾問題，又可提高電子產(chǎn)品的抗干擾能力。
2.3 PCB設(shè)計(jì)技術(shù)
為更好地抑制開關(guān)電源的電磁干擾，其印制電路板(PCB)的抗干擾技術(shù)尤為重要。為減少PCB的電磁輻射和PCB上電路問的串?dāng)_，要非常注意PCB布局、布線和接地。如減少輻射干擾是減小通路面積，減小干擾源和敏感電路的環(huán)路面積，采用靜電屏蔽。而抑制電場(chǎng)與磁場(chǎng)的耦合，應(yīng)盡量增大線間距離。
在開關(guān)電源中接地是抑制干擾的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3種基本類型。地線設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
(1)交流電源地與直流電源地分開。
(2)功率地與弱電地分開。
(3)模擬電路與數(shù)字電路的電源地分開。
(4)盡量加粗地線。
2.4 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)
對(duì)于一個(gè)周期信號(hào)尤其是方波來說，其能量主要分布在基頻信號(hào)和諧波分量中，諧波能量隨頻率的增加呈級(jí)數(shù)降低。由于次諧波的帶寬是基頻帶寬的倍，通過擴(kuò)頻技術(shù)將諧波能量分布在一個(gè)更寬的頻率范圍上。由于基頻和各次諧波能量減少，其發(fā)射強(qiáng)度也應(yīng)該相應(yīng)降低。要在開關(guān)電源中采用擴(kuò)頻時(shí)鐘信號(hào)，需要對(duì)該電源開關(guān)脈沖控制電路輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，形成擴(kuò)頻時(shí)鐘(如圖3)。與傳統(tǒng)的方法相比，采用擴(kuò)頻技術(shù)優(yōu)化開關(guān)電源EMI既高效又可靠，無需增加體積龐大的濾波器件和繁瑣的屏蔽處理，也不會(huì)對(duì)電源的效率帶來任何負(fù)面影響。
電感和電容等元件組成濾波器，將輸入電流波形進(jìn)行移相和整形過程來實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù)的。而有源功率因數(shù)校正電路是依據(jù)控制電路強(qiáng)迫輸入交流電流波形跟蹤輸入交流電壓波形的原理來實(shí)現(xiàn)交流輸入電流正弦化，并與交流輸入電壓同步。兩種方法均使功率因數(shù)提高，后者效果更加明顯，但電路復(fù)雜。
3 結(jié)論
隨著通信開關(guān)電源不斷向高頻化發(fā)展，其抗干擾問題顯得越發(fā)重要.在開發(fā)和設(shè)計(jì)開關(guān)電源過程中，如何有效抑制開關(guān)電源的電磁干擾，同時(shí)提高開關(guān)電源本身對(duì)電磁干擾的抗干擾能力是一個(gè)重要課題。除本文中分析的幾種主要方法外，還可以采用光電隔離器、LSA系列浪涌吸收器、軟開關(guān)技術(shù)等。幾種抗干擾措施既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)全面考慮開關(guān)電源的各種電磁干擾，選用多種抑制電磁干擾的方法加以綜合利用，才能達(dá)到良好的抗干擾效果。
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